Szenzorhálózatok és alkalmazásaik. Bevezetés

Átírás

1 Szenzorhálózatok és alkalmazásaik Bevezetés

2 Tartalom Bevezetés (szenzorok, mót -ok) A fizikai világ és az internet kapcsolata tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 2

3 Szenzorok + intelligencia + hálózat... CO hő ütés WiFi Bluetooth kép hőmérséklet hang ZigBee elem táp Particle-C szenzor mót memória proc tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 3

4 Legyen pici, olcsó és sok... Követelmények a szenzorokkal szemben: kis méret olcsó alacsony fogyasztás Következmény: korlátozott számítási kapacitás korlátozott energiakészlet korlátozott rádiós sugár egyszerűbb megoldások Követelmény a szenzorhálózattal szemben: tipikusan sok csomópont hosszú élettartam megbízható önszerveződő, felügyelet nélküli hibatűrő, öngyógyító Hitachi MEMS Uni California, Berkeley tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 4

5 Legyen mindenhol és mindenben... A környező fizikai valóság minden léptékben megfigyelhető! bármely mérhető, fizikai mennyiség környezet monitorozás (földfelszín, víz, levegő) intelligens épületek, okos város intelligens otthon, munkahelyek testen belüli monitorozás világűr... forrás: S. Gyula tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 5

6 Keress egy nyulat! keresés... megtalálva Hol van a nyúl? Mutasd a nyulat! A nyúlról... az interneten tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 6

7 Keress egy nyulat! keresés... megtalálva Hol van a nyúl? 47º N 19º E elev 109 m Mutasd a nyulat! A nyúlról... a világban tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 7

8 Konvergencia... Az igazán érdekes a valós, fizikai világ és a virtuális adattér összekapcsolása! A folyamat már javában tart, pl: GoogleEarth térfigyelő kamerák időjárás-előrejelzés weboldalak riasztó- és távfelügyeleti rendszerek navigáció és tájékozódás (telefon- és videokonferenciák) tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 8

9 Fizikai réteg Létező megoldások, tervezési kérdések tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 9

10 Tartalom Fizikai réteg létező és spec. WSN megoldások energiahatékonyság tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 10

11 A fizikai réteg Fizikai réteg: Azok az eszközök és eljárások, mely az adatok átviteléhez, az adatkapcsolati entitások közti fizikai összeköttetés létrehozásához, fenntartásához, és bontásához szükségesek. Cross-layer design ISO OSI alkalmazási réteg megjelenítési réteg viszony réteg szállítási réteg hálózati réteg adatkapcsolati réteg fizikai réteg tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 11

12 Jellemzők és követelmények Tipikusan nagyon kis átvitt adatmennyiség. néhány bit/nap Inkább kisebb átviteli sebesség és nagyobb késleltetés az alacsonyabb árért és hoszabb élettartamért cserébe. Pl: Egy (vagy több) év üzemidő 750 mah AAA elemmel Univerzális (globális), licensz nélküli üzemeltethetőség. Nagyban limitálja a lehetséges frekvenciasávot és modulációt tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 12

13 Példák a fizikai rétegre Szenzorhálózatokban a kommunikáció történhet elektromágneses (RF, IR) vagy akusztikus úton. Létező rádiófrekvenciás (RF) megoldások: Bluetooth IEEE b (WLAN) (IEEE ) Speciális WSN megoldások PicoRadio WINS μamps tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 13

14 Bluetooth WPAN (Wireless Personal Area Network) megoldás 2.4 GHz ISM sáv Moduláció: 1 MBaud bináris GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) frekvenciaugratásos szórt spektrumú (FHSS), 1600 ugrás/mp, 79 db 1-MHz-es csatorna (USA-ban) Problémák WSN alkalmazásnál: A hálózat felderítés FHSS esetében hosszadalmas, mert a node-ok aszinkron működésűek. A viszonylag keskenysávú (1MHz) modulácó miatt a csatornaszűrő megvalósítása bonyolult és költséges. (Az alacsony-frekvenciás áramköri elemek nagy mérete és a nagy kapacitorok, valamint a nagy warm-up periódus miatt.) A közeli csatornák szétválasztása is bonyolult tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 14

15 IEEE b WLAN (Wireless LAN) szabvány GHz ISM sáv 14 db 22 MHz-es átlapolódó csatorna, 5 MHz-enként (USA-ban csak az első 11 használható) szabvány három 1 Mb/s (ill. 2 Mb/s) fizikai réteg opciót definiál: infravörös (IR) frekvenciaugratásos szórt spektrumú (FHSS) direkt szekvenciális szórt spektrumú (DSSS) 1 Mb/s esetén: különbségi bináris fázisugratás (DBPSK) 2 Mb/s esetén: különbségi kvadratúra fázisugratás (DQPSK) b: kiterjesztés 5.5 Mb/s-ra ill. 11 Mb/s-ra Complementary Code Keying (CCK), 11 Mc/s és DQPSK, 8 bit/szimbólum tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 15

16 IEEE b Az eredeti 1 és 2 Mb/s-os direkt szekvenciális fizikai réteg egy lehetséges megoldás WSN-ek esetében: Egyszerű hardver. Megfelelő adatátviteli sebesség. A direkt szekvenciális kódolás mentes a frekvenciaugratásos módszerek hátrányaitól. Hátrány: A 11 Mc/s-os chip-sebesség túlságosan magas egy alacsony fogyasztású eszköznek. A 11 Mb/s-os b kiterjesztés energiafelhasználása és ára (komplexitása) messze meghaladja egy WSN korlátait! tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 16

17 PicoRadio PicoRadio program Uni California (Berkeley), 1999 DSSS, CSMA MAC protokol UWB (ultrawide band) Könnyen integrálható, a sávszélesség-hatékonyság nem annyira fontos. Fontos tulajdonsága: wake-up rádió sleep móddal Wake-up rádióvevő: 1μW átlagos teljesítménnyel működik A wake-up jel vételekor felébreszti a fő rádiót. A wake-up jel tartalmazza az állomás ID-jét, így csak a szükséges csomópontok ébrednek fel. Nincs szükség a node-ok közötti szigorú időszinkronra tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 17

18 WINS WINS Wireless Integrated Network Sensors Project Uni California, Los Angeles és Rockwell Science Center 1998-ban piacra vitték Sensoria Corp. néven (San Diego) Szórt spektrumú, 900 MHz vagy 2.4 GHz ISM sávban CMOS technológiára épült és optimalizált az alacsony előállítási költség miatt tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 18

19 μamps μamps Program Massachusetts Institute of Technology (Cambridge) Teljes WSN rendszer, hangsúly az energiatakarékosság. (LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy protokoll kifejlesztése, ld. később) Cél a sleep time maximalizálása többszintű jelzés start-up energia problémája a sleep-aktív átmenet esetén tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 19

20 Fizikai réteg tervezési kérdései A két legfontosabb követelmény: alacsony ár és hosszú élettartam tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 20

21 Ár, mint tervezési kérdés... A fizikai réteg költsége elsősorban a hardver ára chip-ek ára + külső alkatrészek ára Cél: egyetlen chip + antenna + elemek (Az antenna és az elemek integrálása nem lehetetlen, de nehéz.) Az egyik legnehezebb feladat a referencia frekvenciához használt kvarc kristály integrálása. Lehetséges alternatíva: MEMS (mikro-elektromechanikai) rezonátor Egyenlőre azonban még nem kiforrott technológia, a pontossággal és stabilitással bajok lehetnek. Következmény: Olyan fizikai réteget tervezzünk, amely nem követel meg túl szigorú előírásokat a rezonátorral szemben tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 21

22 Ár: analóg kontra digitális A chip árát befolyásolja az analóg és digitális integrált alkatrészek aránya. A digitális elemek mérete a litográfiai eljárások fejlődésével csökken. Az analóg elemek mérete tipikusan nem csökken a technológia fejlődésével. (Pl. passzív komponensek paraméterei a fizikai méreteik függvénye, pl. kapacitor felület) A lehetséges két alternatíva: Analóg elemek nagy dimenziójú régi (és ezért olcsó) technológiával. Csak digitális komponensek, új technológia, így apró (és ezért olcsó) áramkörök. Hosszú távon a trend az all-digital technológiának kedvez. Az RF áramkörök energiafogyasztása is a mérettel arányos tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 22

23 Ár: csatornaszűrő... Az RF adóvevők egyik legnagyobb alkatrésze a vevő-oldali csatornaszűrő. Analóg esetben szükségesek nagy méretű kapacitorok. Digitális esetben az AD konverter elé szükséges egy anti-alias szűrő. A csatornaszűrő mérete fordítottan arányos a szűrő sarokfrekvenciájával (azaz egyenesen arányos az árával). Következmény: Olyan fizikai réteget tervezzünk, ahol a szükséges vevőszűrő sarokfrekvenciája maximális (azaz nagy sávszélességű) tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 23

24 Ár: nagy darabszám... Nagy darabszám csökkenti az egységárat. Következmény: Olyan fizikai réteget tervezzünk, amely összhangban van a lehető legtöbb ország szabályozási környezetével. Megoldás: ISM sáv használata (De melyik? 2.4 GHz, 5.8 GHz vagy 24 GHz?) tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 24

25 Ár: rendelkezésre álló technológiák... Magas (pl. 60 GHz) frekvenciatartományban működő áramkörök gyártástechnológiája (pl. SoC szilikon CMOS) jelenleg még drága és nem energia-optimális. Alacsony (pl. 1 GHz) frekvencián a node mérete miatti kis antenna okoz problémát. A megfelelő ISM sáv kiválasztása egy kompromisszum az ár és energiafogyasztás, valamint a méret és antenna-hatékonyság között. Jelenlegi optimum: 2.4 GHz ISM sáv tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 25

26 2.4 GHz ISM sáv A 2.4 GHz-es ISM sáv jelenleg egyáltalán nem üres : Pl. IEEE b (Wi-Fi) WLAN, Bluetooth WPAN A különböző technológiák más-más csatorna-hozzáférési stratégiát használnak - erősen unfair lehet! A különböző szolgáltatások együttélése és kompatibilitása a fizikai réteg tervezésének kulcskérdése! Pl: szórt spektrumú megoldások a robosztusság miatt Lehetséges alternatíva: GHz UWB (ultra-szélessáv) Helymeghatározási képesség nagyon jó (néhány cm). Nagy node-sűrűség lehetséges. Egyelőre csak az USA-ban szabványos tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 26

27 Energiafelhasználás (élettartam) Az energia-probléma két komponense: 1. Az energiaforrás (elem) 2. A rendszer energiafogyasztása tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 27

28 Energiaforrások A szenzorok alacsony energiafogyasztása (~50 μw) lehetővé teszi újszerű energiaforrások használatát Pl: napenergia-cella, RF, mechanikus vibrációs eszközök A hagyományos szárazelemek mégis a legáltalánosabbak. Töltésmegújulás jelensége: Egy elem kapacitása sorozatos impulzusokkal kisütve jóval nagyobb, mint folyamatos állandó lemerítés esetében. WSN esetében a börsztös adatküldés mellett az alacsony átlagos energiafogyasztás kiválóan illeszthető a jelenséghez: a nagy fogyasztású komponensek (pl. rádióadó) aktiválása csak rövid időkre, megfelelően nagy időközönként tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 28

29 Energiafogyasztás - példa 2db AAA elem (750 mah), 1 éves élettartam (8760 óra) I avg 750mAh /8760h 86 A Átlagos felvett teljesítmény (1.8 V feszültségszabályozóval) P avg 1.8V 86 A W Tipikus 2.4 GHz CMOS adóvevő 32 mw teljesítménnyel ad és 38 mw teljesítménnyel vesz. (átlag ~35 mw) I on 19. 5mA I stby 30 A Ekkor az I avg T I (1 T ) I on on on stby összefüggésből: T on tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 29

30 Energiafogyasztás T on = praktikusan 4 perc naponta. A kevés információközlés ellenére az aktív kommunikáció időtartama alatt nagy bitsebességet követel meg. T on tartalmazza a warm-up periódust is. Sok de rövid kommunikáció esetében a warm-up periódusokban elfolyó áram lehet a döntő! A DSSS rendszerek 250 kbps (nyers) adatátviteli sebességgel előnyösek tavasz Szenzorhálózatok és alkalmazásaik (VITMMA09) - Okos város villamosmérnöki MSc mellékspecializáció, BME-TMIT 30